變頻器可將輸入頻率從一個(gè)頻段轉(zhuǎn)換到另一個(gè)更高（上變頻）或更低（下變頻）的頻段。這種關(guān)鍵功能使它們?cè)诖蠖鄶?shù)射頻應(yīng)用中都不可或缺，包括無(wú)線通信系統(tǒng)以及衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)射和接收部分。

今天小K就來(lái)跟大家談?wù)?/span>變頻器測(cè)試的基礎(chǔ)原理和最新方法。

并且?guī)?lái)全新的

《變頻測(cè)試應(yīng)用手冊(cè)》

囊括變頻測(cè)試所有常用場(chǎng)景并提供配置指南。

點(diǎn)擊即可下載

混頻器和變頻器的定義

混頻器是實(shí)施頻率轉(zhuǎn)換的核心元件。它可以將輸入信號(hào)與用于通斷二極管或晶體管的本振（LO）信號(hào)混頻或倍頻，得到兩者之和或差。在大多數(shù)情況下，這些產(chǎn)物只有一個(gè)是有用的，其他的則通過(guò)濾波消除?；祛l器可以是無(wú)源器件，也可以是有源器件（圖1），取決于應(yīng)用情況，輸入信號(hào)可進(jìn)入IF（中頻）端口進(jìn)行上變頻，或進(jìn)入RF（射頻）端口進(jìn)行下變頻。雖然變頻或混頻過(guò)程在本質(zhì)上是非線性的，但混頻器有時(shí)候也會(huì)呈現(xiàn)出一定的線性——例如，輸入信號(hào)變化1 dB，輸出信號(hào)也會(huì)變化1 dB，混頻器的幅度和相位響應(yīng)與頻率的關(guān)系應(yīng)與輸入功率無(wú)關(guān)。不過(guò)，就像放大器一樣，取決于輸入驅(qū)動(dòng)電平的高低，混頻器也具有線性和非線性工作區(qū)域。

? 圖1. 無(wú)源二極管混頻器（左）和有源晶體管混頻器（右）的示例。

變頻器是一種復(fù)雜的組合體，其中包含一個(gè)或多個(gè)混頻器、多個(gè)放大器和濾波器，可能還包含信號(hào)調(diào)理元器件，如衰減器、隔離器、限幅器和移相器。變頻器中的每一個(gè)混頻器都需要一個(gè)LO信號(hào)，出于測(cè)試需要，這個(gè)LO信號(hào)要么由VNA或外部信號(hào)發(fā)生器提供，要么由被測(cè)器件內(nèi)置或嵌入的振蕩器提供。與放大器一樣，對(duì)混頻器和變頻器執(zhí)行的許多測(cè)量通常都是射頻測(cè)試，例如增益、增益平坦度、群時(shí)延、增益和相位壓縮、互調(diào)失真（IMD）和噪聲系數(shù)。

傳統(tǒng)變頻測(cè)試的方法與局限

當(dāng)前，很多用戶仍然使用傳統(tǒng)方法來(lái)測(cè)試變頻器，測(cè)試系統(tǒng)中包含大量射頻測(cè)試設(shè)備。傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的速度要慢得多，準(zhǔn)確度也較低，而且配置和維護(hù)難度更大，成本更高。例如使用單獨(dú)的信號(hào)發(fā)生器來(lái)提供射頻和LO信號(hào)，并使用頻譜分析儀作為測(cè)量接收機(jī)。傳統(tǒng)方法的局限性如下：

-由于測(cè)試配置包含大量的外部信號(hào)調(diào)理元器件，例如合路器、濾波器和衰減器，因此設(shè)置比較復(fù)雜。在不同的測(cè)試之間進(jìn)行切換，通常需要添加或刪除元器件，操作起來(lái)非常麻煩。

-誤差校正僅限于幅度響應(yīng)校正，因此用戶通常需要使用衰減器來(lái)降低失配誤差，但這會(huì)使信噪比（SNR）下降。

-自動(dòng)頻率掃描或功率掃描測(cè)量需要使用計(jì)算機(jī)和軟件來(lái)同步各種儀器，因此掃描速度比使用 VNA 掃描慢很多倍。

現(xiàn)代化的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由于具有靈活的硬件和許多測(cè)量應(yīng)用軟件，提供了非常適合用于變頻器測(cè)試的組合拳配置。

-由于儀器內(nèi)集成了大多數(shù)需要的硬件（圖2）中，因此測(cè)量速度大大加快，與典型的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，吞吐量提高了100倍。

-為了獲得高度準(zhǔn)確的結(jié)果，我們針對(duì)所有測(cè)量應(yīng)用開發(fā)了先進(jìn)的誤差校正方法。例如，我們的方法可以消除掃描增益、時(shí)延和噪聲系數(shù)測(cè)量的失配誤差，并使用功率計(jì)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確設(shè)置和測(cè)量絕對(duì)功率，這對(duì)壓縮和 IMD 測(cè)量至關(guān)重要。

-精心設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單、直觀的用戶界面和校準(zhǔn)向?qū)Ш?jiǎn)化了儀器的使用和配置難度。

下圖中的電路顯示了互調(diào)失真測(cè)試配置。

? 圖2. PNA-X 包含進(jìn)行變頻器表征所需的主要組件，包括完整的 S 參數(shù)測(cè)試儀、多個(gè)射頻源、內(nèi)置信號(hào)合路器、脈沖硬件和低噪聲接收機(jī)。

那面對(duì)復(fù)雜的變頻測(cè)試時(shí)，最核心的挑戰(zhàn)都有哪些呢？

在測(cè)試變頻器的傳輸參數(shù)時(shí)，必須克服的挑戰(zhàn)：

-激勵(lì)頻率和響應(yīng)頻率錯(cuò)開

-計(jì)算不同頻率下的接收機(jī)比值

-變頻器件的傳輸相位測(cè)量

使用 PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，很容易克服頻偏挑戰(zhàn)，因?yàn)樗袃?nèi)部射頻源（包括為測(cè)量接收機(jī)提供 LO 信號(hào)的射頻源）都是頻綜源，并且可以獨(dú)立設(shè)置為儀器頻率范圍內(nèi)的任何頻率。

傳輸幅度測(cè)量中涉及接收機(jī)比值的第二個(gè)挑戰(zhàn)也不難克服，因?yàn)橛脩舨槐刂苯訙y(cè)量接收機(jī)比值。如果不追求特別快的測(cè)量速度，那么完全可以先進(jìn)行一次掃描，測(cè)量輸入功率，再進(jìn)行另一次掃描，測(cè)量輸出功率，最后計(jì)算單個(gè)接收機(jī)測(cè)量結(jié)果的比值。

在表征變頻器的傳輸參數(shù)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的 S 參數(shù)法并不適用。測(cè)試混頻器和變頻器的端口匹配同樣非常容易，因?yàn)閷?duì)于反射測(cè)量來(lái)說(shuō)，入射信號(hào)和測(cè)試信號(hào)頻率相同，可以使用常規(guī) S 參數(shù)。不過(guò)，對(duì)于變頻傳輸測(cè)量來(lái)說(shuō)，輸入頻率和輸出頻率不同，因此不能直接使用接收機(jī)比值。

對(duì)變頻器件進(jìn)行傳輸相位測(cè)量特別具有挑戰(zhàn)性

因?yàn)橥ǔＰ枰谙嗤l率的兩個(gè)信號(hào)之間測(cè)量相位。對(duì)于早期的 VNA 來(lái)說(shuō)，無(wú)論何時(shí)進(jìn)行相位或群時(shí)延測(cè)量，都需要使用參考混頻器。參考混頻器要么與主信號(hào)路徑串聯(lián)（通常稱為下/上或上/下變頻法），要么與被測(cè)器件并聯(lián)（圖3）。每種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，但無(wú)論采用哪種方法，參考混頻器都必須覆蓋被測(cè)器件的頻率，并且要有自己的 LO 信號(hào)。通常，用戶還會(huì)使用一個(gè)獨(dú)立的校準(zhǔn)混頻器來(lái)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)。

? 圖3. 過(guò)去，傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)需要串聯(lián)或并聯(lián)參考混頻器，以便測(cè)量混頻器和變頻器的相位和時(shí)延。

而現(xiàn)在，VNA 可以利用現(xiàn)代化頻綜硬件進(jìn)行相位相干的頻率掃描，無(wú)需使用參考混頻器便可完成大部分相位和群時(shí)延變頻測(cè)量，這是早期的 VNA 無(wú)法做到的。通過(guò)相位相干性，VNA 能夠重復(fù)測(cè)量單個(gè)接收機(jī)的相位響應(yīng)與頻率的關(guān)系，再根據(jù)在不同頻率范圍上測(cè)得的各接收機(jī)的相位響應(yīng)計(jì)算比值，計(jì)算過(guò)程與前面討論的幅度響應(yīng)比值一樣。這種功能無(wú)需使用參考混頻器，顯著簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)。

使用SMC、SMC+Phase的核心測(cè)量

在使用 PNA-X 對(duì)混頻器和變頻器進(jìn)行表征時(shí)，標(biāo)量混頻器/變頻器（SMC，S93082B）和標(biāo)量混頻器/變頻器+相位（SMC+Phase，S93083B―S93082B的超集）屬于核心測(cè)量類別。測(cè)量不需要使用參考混頻器，用戶只需進(jìn)行頻率掃描和功率掃描，便可測(cè)量輸出功率、增益、增益平坦度、增益壓縮、相位偏差、相位隨驅(qū)動(dòng)功率的變化（AM 至 PM 轉(zhuǎn)換）、群時(shí)延和端口匹配。

本節(jié)將舉例介紹如何使用圖4中的下變頻被測(cè)器件進(jìn)行這些測(cè)量。

? 圖4. 除非另有說(shuō)明，這個(gè)下變頻被測(cè)器件方框圖可用于所有測(cè)量示例。

下面我們結(jié)合兩個(gè)最常見(jiàn)的測(cè)試場(chǎng)景來(lái)說(shuō)明

掃描中頻示例

在典型的變頻器中，各端口的工作頻率范圍有很大差異。射頻端口（下變頻器的輸入端口或上變頻器的輸出端口）的頻率范圍通常比中頻端口寬得多，中頻端口的頻段通常受到濾波器的限制。掃描中頻測(cè)量主要顯示中頻帶寬響應(yīng)與頻率的關(guān)系，一般通過(guò)單級(jí)變頻器便可完成，具體做法是在 LO 信號(hào)固定在單個(gè)頻率時(shí)（這種情況在工作過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生）掃描輸入端口，然后測(cè)量輸出端口的掃描響應(yīng)。圖5 顯示了對(duì)示例下變頻器進(jìn)行掃描中頻測(cè)量時(shí)，用戶指定的混頻計(jì)劃和測(cè)試結(jié)果。測(cè)量結(jié)果包括變頻器的輸入和輸出頻率響應(yīng)，另外還可以看到窄帶增益和增益平坦度，以及絕對(duì)輸出功率。

? 圖5. 如果只想隔離輸入或輸出響應(yīng)，用戶可以按照?qǐng)D6配置掃描 LO 測(cè)量。

? 圖6. 用于掃描頻率響應(yīng)測(cè)試的單級(jí)變頻器混頻配置。

相位和時(shí)延測(cè)量

用戶要啟用相位和群時(shí)延測(cè)量，用戶必須選中“SMC設(shè)置”（SMC Setup）對(duì)話框“掃描”（Sweep）選項(xiàng)卡上的“啟用相位”（Enable Phase）復(fù)選框。對(duì)于基于小數(shù)N分頻信號(hào)源（合成器版本 6）的儀器，信號(hào)源的起始相位是不可控的，因此用戶可以選擇將相位跡線在相位響應(yīng)的某一點(diǎn)歸一化為零。這樣就可以避免每次掃描時(shí)隨機(jī)起始相位的影響，提供穩(wěn)定、歸一化的相位跡線。為了實(shí)現(xiàn)這種歸一化，用戶應(yīng)該選擇具有良好 SNR 的測(cè)量點(diǎn)，通常在指定頻段的中點(diǎn)。相位歸一化不影響相對(duì)于線性相位的偏移測(cè)量，也不會(huì)影響群時(shí)延測(cè)量，因?yàn)樵谟?jì)算相位與頻率響應(yīng)的斜率時(shí)，根本不需要考慮絕對(duì)相位。不過(guò)，對(duì)于這些儀器而言，相位歸一化意味著無(wú)法使用 SMC+Phase 來(lái)比較多個(gè)路徑、多個(gè)被測(cè)器件間的相位差，或者被測(cè)器件內(nèi)的相位變化。

圖12 顯示了通過(guò)示例單級(jí)變頻器對(duì)變頻增益和群時(shí)延進(jìn)行的固定 LO 測(cè)量。我們使用了跡線分析功能來(lái)顯示 200 MHz 掃寬上的時(shí)延統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，掃描以通帶中點(diǎn)為中心。

? 圖12. 通過(guò)示例單級(jí)變頻器對(duì)變頻增益和群時(shí)延進(jìn)行的固定 LO 測(cè)量。

本文為變頻測(cè)試需求的客戶提供了詳實(shí)的操作指南。所有涉及的測(cè)試項(xiàng)目如下，均可在本文中找到配置指南。

點(diǎn)擊注冊(cè)

資料預(yù)覽

本應(yīng)用指南介紹了如何結(jié)合使用 PNA-X 靈活的硬件和豐富的測(cè)量應(yīng)用軟件，只需與被測(cè)器件建立一組連接，便可進(jìn)行廣泛的變頻器測(cè)量，以及表征線性和非線性特性。用戶可使用 CW、脈沖和調(diào)制載波組合，通過(guò)頻率掃描和功率掃描完成這些測(cè)量。

我們?yōu)槊總€(gè)測(cè)量應(yīng)用軟件都開發(fā)了校準(zhǔn)方法，確保高準(zhǔn)確度測(cè)量。線性測(cè)量包括變頻增益或損耗、輸入和輸出匹配、群時(shí)延、相對(duì)于線性相位的偏移、LO 路徑相位變化以及隔離度。表征非線性特性的測(cè)量包括增益和相位壓縮、AM 到 PM 轉(zhuǎn)換、相位轉(zhuǎn)移、IMD、噪聲系數(shù)、雜散、相位噪聲，以及調(diào)制載波評(píng)估（ACPR、NPR 和 EVM）。

關(guān)于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試解決方案，旨在幫助工程師在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時(shí)控制好風(fēng)險(xiǎn)。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天與國(guó)防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場(chǎng)。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個(gè)安全互聯(lián)的世界。了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)是德科技官網(wǎng) www.keysight.com.cn。

了解我們不懈追求行業(yè)創(chuàng)新的奮斗史：

www.keysight.com/cn...

點(diǎn)擊“閱讀原文”立即注冊(cè)